催化吸收稳定系统的多目标优化

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1、前言．^_‘．--‘_刖舌随着计算机科学的迅猛发展，化工流程模拟软件在石油化工中发挥着越来越大的作用。其中的主要代表有AspenPlus、PRO／II、HYSIi以及CHEMCAD软件等。然而由于化工工艺模拟涉及到众多的变量，需要对原料的物性、热力学方程以及系统的操作条件等众多参数进行确定，这都依赖于化学工程师具备丰富的理论和实践经验。工艺流程建立以后，提高产量降低能耗，获取最大的经济效益，就必须优化，这通常得花费大量的时间不断调整参数。即使这样我们进行的也是局部优化，即只是对某些参数或设备进行了优化，因此对流程的整体进行全局优

2、化对于工艺流程模拟就具有非常重要的意义。流程的整体优化不仅涉及到产品的产量和质量，还有系统能耗的优化，这就是一个多目标优化问题。在化工过程模拟众多的变量和结果之中，找到一组满足优化要求的变量，从而最大限度的发挥现有设施的最大效能，这正是化工模拟中优化的价值所在。催化裂化装置是生产液化气、汽油和柴油的重要装置。催化裂化装置的任务是加工来自分馏塔顶油气分离器的粗汽油和富气，分离出干气(C1，C2)，并回收液化气(C3，C4)和稳定汽油(>C4)合格产品。主要装置由吸收塔、解吸塔、再吸收塔和稳定塔组成。长期以来催化吸收稳定系统始终存在

3、以下主要问题：①干气不干。由于吸收效果不好，干气中含有大量的液化气(C3、C4)组分，造成液化气损失。②能耗过大。由于解吸塔过度解吸，导致吸收和解吸塔中大量的C3、C4组分循环，增大了过程的能耗。本文利用用modeFRONTIER集成PRO／II对流程进行多目标优化，做出Pareto曲线，得出优化点，在理论上能够指导吸收稳定系统的生产操作，并且可以验证现有工艺的经验工作点是否处在优化区域之内。这对于将工程师从琐碎繁多的个别工况计算中解放出来，节约模拟时间，提高工作效率，降低生产成本，具有重要意义。所用方法不仅适用于催化吸收稳定系

4、统的优化，也可应用于其它化工流程。第一章文献综述1．1化工流程模拟的发展1．1．1化工流程模拟简介过程流程模拟是指建立过程系统的数学模型或描述模型并在计算机上加以体现和实验。流程模拟是过程系统工程中最基本的技术，不论过程系统的分析和优化还是过程系统综合，都是以流程模拟为基础的Ⅲ。化工过程模拟技术始于20世纪50年代中后期，1958年美国Kellogg公司推出了世界上第一个化工模拟程序一FlexibleFlowsheeting。从数学上看，化工流程稳态模拟实质上是一个大型非线性代数方程组的求解问题。从数学模型的表述及解算方法而言，

5、已发展了两类模型化方法【2-3】：序贯模块法和联立方程法。序贯模块法从20世纪50年代开始发展，至今仍然是当前使用的主要方法。从实用角度出发，工业部门一直主张发展序贯模块法。这种方法的特点是便于使用和通用化，技术难度小且计算机内存开销不大，但处理再循环物流、设计规定及最优化计算都要在不同层次上循环迭代，很费机时，从数值计算方法上看不是先进的方法。序贯模块法的代表软件有：ASPENPLUS，PRO／II，HYSIM，ChemCAD。另一条路线为理论家所推崇的联立方程法，该法避免了层层迭代收敛，收敛速度比序贯模块法快得多。但这种算法

6、尚不成熟，自20世纪60年代首创以来，虽然有很多的优越性，但至今仍未很好地商品化。20世纪80年代以来，以上两种方法路线向融合方向发展，出现了联立模块法。作为序贯模块法主要部分的单元操作模型仍然保持，但只用来产生简化模型的系数值，一旦得到简化模型，则由这些简化模型形成大型方程组，在内圈用联立方程法求解，解出联接流股工艺参数，如果与原来设定偏离较大，则进入外圈迭代，修正工艺变量再重新计算。联立方程法则将物性计算层次分离出来单独计算，然后用有效的界面与方程解算程序合为一体。经过改进的PROBI采用基于联立方程和序贯模块两种技术的混合

7、求解法，具有完善的、快速收敛的流程模拟能力。当前化工过程系统模拟不论在广度和深度方面均有了长足的进展，研究十分活跃，并呈现出以下几个特点【4j：(1)操作更加方便，功能齐全，适用范围宽。例如SIMSCI公司利用新技术追2第一章文献综述加和改进了功能，使得较新版本的PRO／II操作更加直观、方便，可自动建立流程路线，计算过程动态显示。在解法上PRO／II采用基于联立方程和序贯模块两种技术的混合求解法，具有流程优化功能、灵敏度分析功能和快速收敛能力，适用的物系，温度、压力和组分范围非常宽，对单元操作、物流、组分和循环回路数目几乎没有

8、限制。它被认为是90年代的标准模拟器。(2)增加可以满足实际应用的各种类型的热力学模型供选用。对于从简单体系到复杂的非理想体系的各种物系，适用更宽的温度、压力和组成范围；开发更精确的物性计算方法，特别是电解质溶液、石油馏分和固体物料的物性计算，以扩展通用模拟系统